軟弱富水地層大直徑盾構始發端頭聯合加固方法及應用

趙合全

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211899）

盾構法具有安全性好、機械化水平高、施工速度較快、對周圍環境影響小等優點，廣泛應用于交通隧道的建設。隨著軌道交通的不斷發展，盾構始發井位于淤泥與粉土粉砂等軟弱富水地層將不可避免。盾構始發穿越軟弱富水地層時可能出現盾構機脫離始發基座，引發“叩頭”現象，或導致突水涌泥及地表塌陷等事故，因此加固盾構始發端地層是十分必要的。目前對于盾構始發端頭的加固方式有很多，常采用降水、旋噴樁、攪拌樁、凍結法等方式中一種或兩種相結合的加固方式對始發端頭進行加固。王天明等介紹了南寧地鐵1號線盾構密閉始發技術；朱世友等建立了常用18種盾構始發端加固方案庫；陳學軍等介紹了深圳地鐵2號線攪拌樁與素混凝土墻聯合加固設計和施工過程；周誠等介紹了武漢越江隧道盾構始發地層降水與三軸旋噴樁聯合加固方案；曾暉等介紹了南京地鐵1號線素混凝土樁與高壓旋噴樁聯合加固方式和質量控制措施；祝和意等介紹了水平凍結法在蘇州地鐵的應用；石泉彬等介紹了垂直凍結法在寧和城際軌道的應用。但現有研究對于盾構始發端頭采用兩種以上方式聯合加固的研究較少。

杭州望江路隧道穿越錢塘江，盾構始發段地層條件差，始發施工風險較大。現結合地層特點，提出了一種采用局部垂直凍結法、三軸攪拌樁和高壓旋噴樁聯合加固的盾構始發端頭地層加固方法，介紹了相應的加固方法和參數，以及后期盾構始發效果的檢驗狀況，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

杭州望江路隧道位于杭州市錢塘江西興大橋與復興大橋之間，兩岸分別連接上城區的望江東路和濱江區的江暉路，區間線路見圖1。主線隧道采用雙向四車道設計，設計時速為 60 km/h，其中越江段隧道施工通過直徑為11.6 m的兩臺泥水盾構分體始發。盾構隧道左線長約1 837 m，右線長約1 830 m，采用管片拼裝式單層襯砌，管片外徑11.3 m，內徑10.3 m，幅寬2 m，管片縱向接縫設置凹凸榫槽，采用斜螺栓連接。

圖1 工程區間線路Figure 1 Tunnel alignment

盾構始發端隧道頂部埋深10.4 m，地下水位埋深4.7 m。工程場地區內主要分布有填土、粉土、粉砂及粉質黏土。盾構穿越地層主要為粉砂、粉土及淤泥質粉質黏土。盾構始發端地質縱斷面圖如圖2所示。

圖2 盾構始發端地質縱斷面Figure 2 The geological profile of the shield launching hole

始發井圍護結構地下連續墻厚1.2 m，采用C30水下混凝土澆筑，洞門破除直徑12.2 m，分3次進行洞門混凝土的鑿除(依次鑿除20 cm、70 cm、30 cm)，整個洞門破除方量約140 m。

杭州望江路隧道為大直徑盾構越江隧道，盾構始發井位于富水軟弱砂質、淤泥質地層，具有工程地質條件差、高水頭、土層滲透性強的特點，盾構始發易發生涌水涌砂、土體失穩現象，為確保洞門破除與盾構始發施工安全，須采取合理的地層加固措施。

2 聯合加固方法及設計

2.1 聯合加固方法的提出

盾構始發端頭地層加固通常根據工程地質、水文地質及盾構選型等因素，采取三軸深層攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿加固、凍結法及素混凝土墻等方法。根據以往工程經驗，三軸攪拌樁無法與地連墻密貼，需在二者連接段采用高壓旋噴樁加固，而水泥漿在地下水流動性強的富水砂性地層中難以凝固成整體，導致旋噴樁均勻性較差、加固效果不佳，易出現涌水涌砂；而凍結法可以補強旋噴樁產生的薄弱環節，但水平凍結法造價較高、施工工期長且凍脹融沉影響大，因此垂直凍結法是更優的加固方式。綜合考慮，本工程采用三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+局部垂直凍結的聯合加固方式對盾構始發井地層進行加固。加固方案如圖3所示。

圖3 盾構始發端地層加固方案Figure 3 Stratum reinforcement scheme at the shield launching hole

2.2 聯合加固設計

三軸攪拌樁設計參數為樁徑850 mm，間距600 mm，其中搭接長度 250 mm，保證止水效果。水泥摻量空樁9%、實樁20%，水灰比 1.5∶1。加固范圍縱向沿盾構掘進方向為15 m，橫向加固至盾構隧道外輪廓左右兩側5 m，豎向為盾構隧道頂部以上5 m至盾構隧道底部以下5 m；加固標準采用28 d的無側限抗壓強度大于1.0 MPa，滲透系數不大于1×10cm/s。

靠近始發井側采用800 mm@600 mm高壓旋噴樁對基坑圍護結構與三軸攪拌樁交接處加固，并在基坑圍護結構角部進行高壓旋噴樁加固止水。高壓旋噴樁采用水灰比為 1∶1的水泥，摻量為 25%。加固區縱向長度2 m，加固寬度至隧道外輪廓兩側5 m，加固深度至隧道底5 m，加固標準采用28 d的無側限抗壓強度大于1.0 MPa，滲透系數不大于1×10cm/s。

現場采用鹽水進行局部凍結加固，設計要求凍土平均溫度達到-10℃，鹽水溫度達到-30℃～-28℃。加固區范圍設置為橫向由盾構隧道左右兩側向外延伸5 m，豎向為隧道頂部向上5 m至隧道底部向下4 m。凍結加固設計壁厚為2 m，設計安全系數取1.6，設計強度指標抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度分別為5.0 MPa、3.8MPa、1.8 MPa，泊松比為0.35。

2.2.3.1 荷載計算

為確保安全，始發洞口凍結加固體所承受荷載，按照最不利狀態進行計算，采用洞門下緣最深處的水土壓力。

應用重液理論計算水土壓力，其洞口水土壓力為

式中，為計算點的水土壓力，MPa；為計算點埋深，m。

盾構始發洞門下緣埋深為21.86 m，則通過計算得水土壓力為=0.284 MPa。

2.2.3.2 凍結壁厚度計算

1) 按最大剪應力驗算。將洞門加固土體視為厚度為的周邊自由支撐的彈性圓板，按照彈性力學板塊理論，最大剪應力驗算公式為

式中，為加固體開挖內直徑，m；為凍結壁厚度，m。

當凍結壁厚度為2 m時，計算得=0.401＜1.8 MPa，安全系數為4.5，滿足設計要求。

2) 按最大彎拉、壓應力驗算。同樣，按照彈性力學板塊理論，最大彎拉、壓應力驗算公式為

式中，為凍結土體泊松比。

計算得到=2.247＜3.8 MPa，安全系數為1.7，滿足設計要求。

根據上述計算，凍結壁設計厚度2.0 m，其抗剪強度、抗彎強度均滿足設計要求。設計采用兩排共計46個凍結孔，A排24個、B排22個；A排孔距槽壁0.5 m，相鄰排間距0.8 m，孔間距0.8 m，采用梅花形布置，單個凍結孔長度為27.02 m，凍結區域內共設4個孔進行測溫，垂直凍結管規格為127 mm×5 mm。凍結孔位平面布置圖如圖4所示。

圖4 凍結孔位平面布置Figure 4 Layout plan of freezing hole

3 施工及加固效果評價

施工前先進行準備工作，包括管線遷移、場地區整平等。盾構始發端頭加固按照三軸攪拌樁施工、高壓旋噴樁施工、局部凍結施工順序進行，前一步施作完成并驗收合格后才能進行下一步的施工。

3.1 三軸攪拌樁施工及加固效果評價

三軸攪拌樁加固于2017年5月29日開始施工，2017年7月2日完成端頭加固，共計35 d。施工工序如圖5所示。

圖5 三軸攪拌樁施工工序Figure 5 Construction procedure of three-axis mixing pile

施工過程需保證樁體垂直度和加固體均勻性。

3.1.2.1 保證樁體垂直度措施

1) 整平整實行走道板，使行走道板在同一水平線上。

2) 在樁架上安裝一個鐵圈，同時在鐵圈上方10 m處安設鉛錘，通過全站儀或經緯儀測量并調整鉆桿垂直度，使得鉛錘中心投影與鐵圈中心重合，控制垂直度誤差在0.5%以內。

3) 鉆孔前采用水平尺校對機械架，保證樁體的垂直度滿足設計要求。

4) 為保證攪拌軸垂直施工，鉆孔前對攪拌軸縱橫向同時進行校正。

5) 施工過程中不定時測量機座四周標高，檢查并糾正機座的水平度，同時應加強樁體的垂直度測量。

3.1.2.2 保證加固體均勻措施

1) 壓漿過程中需保證漿液供應充足，輸送管運輸通暢，確保壓漿均勻、連續。若出現樁體斷裂現象，應繼續向下鉆進50 cm后再向上提升，提升的過程中保持噴漿。

2) 檢查樁頂噴漿效果，杜絕出現漏噴，保證樁頂水泥強度與質量。

3) 攪拌樁的下沉速度及提升速度應保持勻速。

4) 攪拌樁頭部下沉到預定位置后，同步啟動灰漿泵，將水泥漿壓入土體，并在噴漿過程中進行攪拌，維持1～2 min的時間。

5) 攪拌提升速度不大于0.5 m/min，確保攪拌充分。

6) 攪拌樁的施工間隔時間不大于 10 h，若超出10 h應加大水泥漿用量，保證樁體之間的搭接強度。

3.1.2.3 三軸攪拌樁加固效果評價

施工過程中各機械運行正常，樁位偏差均小于50 mm、樁身垂直度誤差小于0.5 %，搭接樁施工間歇時間小于10 h，均滿足要求。攪拌樁施工完成28 d后，對試樁進行鉆孔取芯，檢測樁體的攪拌均勻程度、完整性和樁身長度。將取出的芯樣3個分為一組，進行無側限抗壓強度試驗，結果表明抗壓強度大于1 MPa，滲透系數小于1×10cm/s。

3.2 高壓旋噴樁施工及加固效果評價

旋噴樁加固于2017年9月9日開始施工，2017年9月20日完成施工，共計12 d。施工工序如圖6所示。

圖6 高壓旋噴樁施工工序Figure 6 Construction procedure of high-pressure jet grouting pile

1) 旋噴樁施工前1 h內進行水泥漿攪拌，施工過程中控制冒漿量在10%～25%。

2) 貯漿罐內應保持攪拌，防止漿液沉淀。漿液運輸至吸漿桶時用濾網過濾，防止噴漿設備堵塞。水泥漿液攪拌時間須在旋噴前1 h內進行，并嚴格控制水灰比。

3) 旋噴樁施作時旋轉、提升必須保持連續性，若發生間斷，則須留有10 cm以上的搭接范圍，避免樁體產生脫節。

試樁設計長度為22.02 m，樁身抗壓強度為1.0 MPa，滲透系數為1×10cm/s。旋噴樁施工完28 d后，在每根樁的直徑方向1/4位置，樁身全長范圍內鉆孔取出芯樣，檢查芯樣的完整程度、均勻程度，并選擇3個位于不同深度的芯樣做強度試驗，并采用滲透儀對試件滲透系數進行檢測。結果顯示實測樁長最小為22.21 m＞22.02 m，最小抗壓強度為1.1 MPa＞1.0 MPa，滲透系數 4.52×10cm/s＜1×10cm/s。檢測結果表明，芯樣連續、完整、均勻，滿足規范要求。

3.3 局部凍結法施工及加固效果評價

冷凍機從2017年12月4日開始運行，至12月11日時鹽水去路溫度達到-22.3℃，至12月18日時，即運行15 d后鹽水去路溫度達到設計值-28.0℃。之后溫度便持續穩定在設計值之下，總去路、總回路溫差保持在2℃之內，于2018年1月9日冷凍結束，共計冷凍36 d。施工工序如圖7所示。

圖7 凍結法施工工序Figure 7 Construction procedure of freezing method

1) 凍結孔成孔時，上部土體通過沖擊鉆頭或取芯機鉆孔，下部土體通過牙輪鉆頭鉆孔。

2) 凍結孔鉆孔時應控制轉速、鉆進壓力及沖洗量，保證勻速鉆進成孔。鉆頭更換或加尺時，為防止鉆具滯留在某一深度長時間沖壓，應將鉆具下至孔底上0.3～0.5 m處掃孔。若發生停電，應將鉆具提升到安全范圍內，停電時間超過2 h時，取出所有機具進行詳細檢查，鉆桿彎曲、鉆頭磨損較嚴重時停止使用，鉆孔完成后檢查鉆桿長度，沖孔后安裝凍結管，安裝深度應滿足設計要求。

3) 凍結孔平均偏斜率不得大于 0.5%，凍結孔終孔間距應小于1 100 mm，當凍結孔孔距超限時予以補孔。施工過程中，采用燈光經緯儀進行終孔和成孔時的斜度測量。

4) 在始發洞門范圍連續墻鑿除后，盾構始發破洞之前，將盾構掘進范圍內凍結管提升至隧道頂部以上0.5 m位置，并繼續進行凍結加固；當盾構通過凍結加固范圍之后，拔除所有凍結管，然后在凍結孔內回填黃砂充填。

1) 凍結帷幕厚度。通過各測溫孔測點溫度監測，得到各測溫孔測點最慢凍土發展速度見表1。

表1 各測溫孔測點最慢凍土發展速度Table 1 The slowest permafrost development rate at each temperature hole measurement point

由表1可知，凍土發展速度最慢為24.1 mm/d。按照此速度計算凍結36 d的凍土發展半徑為=24.1×36=867 mm，此時凍結帷幕有效厚度最薄為2 012 mm，滿足設計要求2 000 mm。

2) 凍土平均溫度。凍土平均溫度可根據《簡明建井工程手冊》凍結施工成冰公式進行計算：

式中，為凍土平均溫度，℃；t為鹽水溫度，取-29.0℃；常數l為孔間距，最大孔間距為1.015 m；為凍結36 d的凍土厚度，取凍土最薄處厚度為2.012 m；t為井幫處的溫度，按經驗取-7℃。

代入數據通過計算可得，凍結36 d的凍土平均溫度為= -10.2℃，滿足設計凍土平均溫度小于-10℃要求。

3) 洞門探孔檢查。盾構始發井洞門范圍內的地下連續墻破除之前，需在洞門范圍內的地下連續墻上打設溫度觀察孔，觀察孔穿越地下連續墻并進入凍土內深度5～10 cm，以判斷凍土厚度及溫度。溫度量測采用高精度的測溫儀，各觀察孔實測溫度最高為-6.2℃，低于規范要求的-5℃。洞門探孔分布如圖8所示。

圖8 洞門探孔分布Figure 8 Distribution of exploratory holes at portal

3.4 地表及管片監測

為監測始發井地層加固效果及盾構施工對地表沉降的影響，同時凍結會造成局部地層體積膨脹，解凍后地層會出現一定的融沉現象。因此有必要對隧道管片和地表進行監測。

1) 隧道管片監測。盾構穿越地區為采用局部凍結，為了減小融沉的影響適當加大同步注漿量，每環注漿量大于理論注漿量 150%，盾構穿越過程未出現管片破損和滲漏等病害。隧道始發到地層解凍之前進行管片沉降和收斂監測。管片最大沉降9.12 mm，最大水平收斂 3 mm，滿足《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911—2013)的要求，即管片沉降、水平收斂小于10 mm。

2) 地表沉降監測。地表沉降監測點布置方式為沿隧道掘進方向每4 m(2環管片長度)布置一個測點，每12 m(6環管片長度)布置一個監測斷面，共11個測點。地表沉降特點呈現出盾構掘進到達監控斷面前的地表隆起與盾構掘進通過該地層后的地表下沉，隨著盾構越過監測斷面距離的增加，最后地表下沉速率減慢并趨于收斂。

現場實測數據表明，地表最大隆起量8.2 mm，最大下沉量28 mm，各監測點沉降均滿足規范要求。

4 結論

以杭州望江路盾構過江隧道工程為依托，考慮高水頭粉土粉砂及淤泥地層特點，進行始發端地層加固方案研究，主要結論如下：

1) 在軟弱富水地層采用深層攪拌樁加旋噴樁和局部垂直凍結加固的聯合加固方法，可以保證洞門順利破除與盾構安全始發。

2) 聯合加固措施實施后，旋噴樁、攪拌樁及凍結壁施工質量較好，各項指標均滿足設計要求。由監測結果可知，盾構始發施工過程中管片沉降與水平收斂、地表沉降滿足規范要求，盾構未出現管片破損，滲漏水等異常情況，地層加固處理的效果較好。